DE102020206416A1 - Cooling device for a connector element and connector element for high-voltage applications - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein Steckverbinderelement und ein zugehöriges Steckverbinderelement für Hochvolt (HV)-Anwendungen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einbau eines Hochvoltsteckverbinderelements. Die Kühlvorrichtung (114) umfasst einen Kühlkanal, der im Betrieb von einem Kühlfluid (126) durchströmbar ist, und ein Lagerelement (122), das den Kühlkanal hält, wobei der Kühlkanal ein von dem Lagerelement getrenntes Bauteil ist und die Gestalt mindestens einer Hohlleitung (120) hat, welche das Lagerelement (122) wenigstens in einem Teil eines Umfangs des Lagerelements (122) umgreift.The present invention relates to a cooling device for a connector element and an associated connector element for high-voltage (HV) applications. The invention also relates to a method for installing a high-voltage connector element. The cooling device (114) comprises a cooling channel through which a cooling fluid (126) can flow during operation, and a bearing element (122) which holds the cooling channel, the cooling channel being a component that is separate from the bearing element and having the shape of at least one hollow pipe ( 120) which engages around the bearing element (122) at least in part of a circumference of the bearing element (122).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein Steckverbinderelement und ein zugehöriges Steckverbinderelement für Hochvolt (HV)-Anwendungen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einbau eines Hochvoltsteckverbinderelements.The present invention relates to a cooling device for a connector element and an associated connector element for high-voltage (HV) applications. The invention also relates to a method for installing a high-voltage connector element.
In der Elektromobilität werden HV-Steckverbinder mit großen Leitungsquerschnitten zum Antrieb und zum Laden der HV-Batterie benötigt. Um die Ladezeiten zu verkürzen oder die benötigte Leistung aus einer Batterie abzurufen, werden im HV-System teilweise hohe elektrische Stromdichten benötigt. Dadurch kann sich die Temperatur in einem Steckverbinder unter ungünstigen Bedingungen unzulässig erhöhen. Das Erreichen der zulässigen Höchsttemperatur begrenzt jedoch die Energie, die übertragen werden kann. Passive Kühlung und die Bereitstellung ausreichend hoher Leitungsquerschnitte kann Abhilfe schaffen, führt aber in der Regel zu unerwünscht großen Abmessungen des Steckverbinders sowie zu hohen Materialkosten.In electromobility, high-voltage connectors with large cable cross-sections are required to drive and charge the high-voltage battery. In order to shorten the charging times or to get the required power from a battery, high electrical current densities are sometimes required in the HV system. As a result, the temperature in a connector can increase impermissibly under unfavorable conditions. However, reaching the maximum allowable temperature limits the energy that can be transferred. Passive cooling and the provision of sufficiently large cable cross-sections can help, but usually leads to undesirably large dimensions of the connector and high material costs.
Vorteilhaft ist daher eine aktive Kühlung mit Hilfe eines Kühlfluids, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit. Bekannte Steckverbinderelemente mit integrierten Kühlkanälen haben aber den Nachteil, dass sie zum einen nicht für eine Nachrüstung bestehender Steckverbindersysteme geeignet sind und zum anderen komplexe, schwierig herzustellende Bauteile sind.Active cooling with the aid of a cooling fluid, for example a cooling liquid, is therefore advantageous. Known connector elements with integrated cooling channels, however, have the disadvantage that, on the one hand, they are not suitable for retrofitting existing connector systems and, on the other hand, are complex, difficult-to-manufacture components.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Kühlvorrichtung für ein Steckverbinderelement sowie einem zugehörigen Steckverbinderelement, welche die Nachteile der bekannten Lösungen überwinden, so dass die gefertigten Steckverbinderelemente sicher und zuverlässig sind, aber dennoch kostengünstig herstellbar sind und wenig Bauraum einnehmen.There is therefore a need for a cooling device for a connector element and an associated connector element which overcome the disadvantages of the known solutions so that the connector elements produced are safe and reliable, but can still be produced inexpensively and take up little space.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, eine aktive Kühlung mit minimalem zusätzlichem Raumbedarf durch Vorsehen einer separaten Hohlleitung, die im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmbar und an dem Steckverbinderelement angebracht ist, zu erreichen. In vorteilhafter Weise wird die Hohlleitung, die nachfolgend auch als Kühlleitung bezeichnet wird und einen Kühlkanal bildet, in der Nähe der Kontaktierungsstelle (im Folgenden auch als „Hotspot“ bezeichnet) platziert. Das Kühlfluid, z. B. eine Kühlflüssigkeit, wie sie im Kraftfahrzeug ohnehin vorhanden ist, nimmt die im Steckverbinder entstehende Wärme auf und transportiert sie in eine entsprechende Wärmesenke ab. Dadurch kann ein besonders effizientes Wärmemanagement und folglich eine effiziente Energieübertragung erreicht werden, ohne den Bauraum und die Kosten zu erhöhen.The present invention is based on the idea of achieving active cooling with minimal additional space requirements by providing a separate hollow line through which a cooling fluid can flow during operation and is attached to the connector element. The hollow line, which is also referred to below as a cooling line and forms a cooling channel, is advantageously placed in the vicinity of the contacting point (also referred to as a “hotspot” below). The cooling fluid, e.g. B. a cooling liquid, as it is already present in the motor vehicle, absorbs the heat generated in the connector and transports it to a corresponding heat sink. As a result, particularly efficient heat management and consequently efficient energy transfer can be achieved without increasing installation space and costs.
Insbesondere umfasst eine Kühlvorrichtung für ein Steckverbinderelement einen Kühlkanal, der im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmbar ist, und ein Lagerelement, das den Kühlkanal hält, wobei der Kühlkanal ein von dem Lagerelement getrenntes Bauteil ist und die Gestalt mindestens einer Hohlleitung hat, welche das Lagerelement wenigstens in einem Teil eines Umfangs des Lagerelements umgreift. Eine solche Hohlleitung ist beispielsweise als Schlauch oder Rohr ausgebildet und möglichst nahe an dem Hotspot um das Steckverbinderelement gelegt.In particular, a cooling device for a connector element comprises a cooling channel through which a cooling fluid can flow during operation, and a bearing element that holds the cooling channel, wherein the cooling channel is a component separate from the bearing element and has the shape of at least one hollow line, which at least the bearing element engages in part of a circumference of the bearing element. Such a hollow line is designed, for example, as a hose or pipe and placed as close as possible to the hotspot around the connector element.
Dabei kann die Hohlleitung nur einen Teil des Umfangs des Kühlvorrichtung Steckverbinderelements umschlingen oder aber in mehreren Windungen um das Lagerelement und damit um den Umfang des Steckverbinderelements geführt sein. Wenn die Hohlleitung das Lagerelement in einer Vielzahl von Windungen umgreift, ist die Wärmeabfuhr verbessert, weil eine größere Fläche des Steckverbinderelements in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlfluid stehen kann. Weiterhin können auch mehrere separate Hohlleitungen parallel geführt sein.The hollow line can wrap around only part of the circumference of the cooling device connector element or it can be guided in several turns around the bearing element and thus around the circumference of the connector element. If the hollow line engages around the bearing element in a large number of turns, heat dissipation is improved because a larger area of the connector element can be in heat-conducting connection with the cooling fluid. Furthermore, several separate hollow lines can also be run in parallel.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Hohlleitung ein elektrisch leitfähiges Material auf. Beispielsweise kann die Hohlleitung einen metallischen Werkstoff wie z. B. Kupfer aufweisen und optional noch weitere Beschichtungen haben. Metallische Materialien haben den Vorteil einer besonders effizienten Wärmeübertragung zwischen dem Steckverbinderelement und dem Kühlfluid.According to an advantageous embodiment, the hollow line has an electrically conductive material. For example, the hollow pipe can be a metallic material such as. B. have copper and optionally have further coatings. Metallic materials have the advantage of particularly efficient heat transfer between the connector element and the cooling fluid.
Um eine elektrische Isolierung zwischen dem Steckverbinderelement und der Hohlleitung sicherzustellen, kann vorgesehen sein, dass das Lagerelement wenigstens teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Hohlleitung einen metallischen Werkstoff wie z. B. Kupfer aufweist und das Kühlfluid elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise kann das Lagerelement durch eine Kunststoffhülse gebildet sein, die auf das Steckverbinderelement aufgeschoben ist.In order to ensure electrical insulation between the plug connector element and the hollow line, it can be provided that the bearing element is made at least partially from an electrically insulating material. This is particularly advantageous when the hollow pipe is a metallic material such as. B. comprises copper and the cooling fluid is electrically conductive. For example, the bearing element can be formed by a plastic sleeve which is pushed onto the connector element.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Lagerelement als ein integraler Bestandteil eines Grundkörpers des Steckverbinderelements ausgeführt ist. Die Kühlleitung ist z. B. für mittlere Kühlleistungen direkt um den Kontaktköper gewunden. Insbesondere wenn der Grundkörper ein elektrisch leitfähiges Teil des Steckverbinderelements, wie z. B. eine Kontaktbuchse ist, hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass auf besonders einfache und platzsparende Weise eine besonders effiziente Wärmeableitung gewährleistet werden kann. Dann sollte die Hohlleitung nicht stromleitend sein.According to an advantageous development of the present invention, it can be provided that the bearing element is designed as an integral part of a base body of the connector element. The cooling line is z. B. wound directly around the contact body for medium cooling capacities. In particular if the base body is an electrically conductive part of the connector element, such as. B. is a contact socket, has this configuration the advantage that a particularly efficient heat dissipation can be ensured in a particularly simple and space-saving manner. Then the hollow pipe should not conduct electricity.
Insbesondere, wenn das Lagerelement wenigstens teilweise elektrisch leitfähig ist, ist es vorteilhaft, die Hohlleitung aus einem elektrisch isolierenden, aber dennoch möglichst gut wärmeleitenden Material herzustellen.In particular, if the bearing element is at least partially electrically conductive, it is advantageous to produce the hollow line from an electrically insulating, but nevertheless as good as possible thermally conductive material.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Lagerelement eine rohrförmige Gestalt hat und die Hohlleitung, welche den Kühlkanal bildet, in einer radial umlaufenden Nut gehalten ist. Dadurch kann ein sicherer Halt der Hohlleitung auch unter rauen Umweltbedingungen wie Vibrationen und starken Temperaturschwankungen sichergestellt werden.According to an advantageous development of the present invention, it can be provided that the bearing element has a tubular shape and the hollow line, which forms the cooling channel, is held in a radially circumferential groove. As a result, a secure hold of the hollow pipe can be ensured even under rough environmental conditions such as vibrations and strong temperature fluctuations.
Je nachdem, ob elektrisch isolierende Eigenschaften erforderlich sind, kann die Hohlleitung wenigstens teilweise beispielsweise aus Kupfer oder Silikon hergestellt sein. Selbstverständlich kommen auch alle anderen für die Herstellung einer separaten Kühlleitung geeigneten Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) verwendet werden. Selbstverständlich kommen auch Verbundmaterialschläuche, die z. B. durch Einlagen von Metall, Glasfaser oder textilen Geflechten verstärkt sind, in Frage.Depending on whether electrically insulating properties are required, the hollow line can be made at least partially from copper or silicone, for example. Of course, all other materials suitable for the production of a separate cooling line such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE) or polypropylene (PP) can also be used. Of course, there are also composite hoses, which, for. B. are reinforced by deposits of metal, fiberglass or textile braids, in question.
Die Vorteile einer Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn sie in einem Steckverbinderelement mit einem elektrisch leitfähigen Grundkörper eingesetzt wird, wobei das Lagerelement den Grundkörper wenigstens teilweise umgibt, so dass der Kühlkanal in wärmeleitender Verbindung mit dem Grundkörper ist. Der Grundkörper kann beispielsweise ein Kontaktelement des Steckverbinderelements, z. B. ein Buchsenelement sein.The advantages of a cooling device according to the present invention come into play particularly when it is used in a connector element with an electrically conductive base body, the bearing element at least partially surrounding the base body so that the cooling channel is in a thermally conductive connection with the base body. The base body can, for example, be a contact element of the connector element, e.g. B. be a socket element.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Steckverbindersystem mit einem ersten Steckverbinderelement und einem passenden zweiten Steckverbinderelement bereit, wobei das erste und das zweite Steckverbinderelement elektrisch leitfähig miteinander verbindbar sind und mindestens eines der Steckverbinderelemente eine Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.The present invention also provides a connector system with a first connector element and a matching second connector element, wherein the first and the second connector element can be connected to one another in an electrically conductive manner and at least one of the connector elements has a cooling device according to the present invention.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Einbau eines Hochvoltsteckverbinderelements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Bereitstellen eines Grundkörpers mit einem Lagerelement; Anbringen eines Kühlkanals, der von dem Lagerelement gehalten wird, wobei der Kühlkanal ein von dem Lagerelement getrenntes Bauteil ist und die Gestalt einer Hohlleitung hat, welche das Lagerelement wenigstens in einem Teil eines Umfangs des Lagerelements umgreift.
- Providing a base body with a bearing element; Attaching a cooling channel which is held by the bearing element, the cooling channel being a component separate from the bearing element and having the shape of a hollow conduit which surrounds the bearing element at least in part of a circumference of the bearing element.
Eine besonders einfache Nachrüstbarkeit bestehender Hochvoltsteckverbinderelemente kann erreicht werden, wenn das Lagerelement eine hülsenförmige Manschette, die man auch als Adapter bezeichnen kann, und die auf den Grundkörper aufgeschoben wird, aufweist. Diese Manschette kann außerdem auch eine elektrisch isolierende Funktion erfüllen, wenn der Grundkörper ein elektrisch leitendes Kontaktelement des Hochvoltsteckverbinderelements ist und die Hohlleitung ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, besteht.Existing high-voltage connector elements can be retrofitted particularly easily if the bearing element has a sleeve-shaped sleeve, which can also be referred to as an adapter, and which is pushed onto the base body. This cuff can also fulfill an electrically insulating function if the base body is an electrically conductive contact element of the high-voltage connector element and the hollow pipe is also made of an electrically conductive material, such as. B. copper.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Lagerelement durch eine Aufnahme gebildet ist, die als integraler Bestandteil des Grundkörpers des Steckverbinderelements ausgeführt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer besonders geringen Baugröße und optimalen Wärmeableitung.Alternatively, it can also be provided that the bearing element is formed by a receptacle which is designed as an integral part of the base body of the connector element. This embodiment has the advantage of a particularly small size and optimal heat dissipation.
Bestehende Steckverbinderelemente können besonders einfach nachgerüstet werden, wenn der Schritt des Anbringens des Kühlkanals das Umwinden des Lagerelements mit mindestens einer Windung der Hohlleitung umfasst.Existing connector elements can be retrofitted particularly easily if the step of attaching the cooling channel comprises winding around the bearing element with at least one turn of the hollow line.
In vorteilhafter Weise nutzt die erfindungsgemäße aktive Kühlung einen in der übergeordneten Einheit, in der sich das Steckverbinderelement befindet, vorgesehenen Kühlkreislauf. Das Verfahren umfasst dann weiterhin den Schritt des Anschließens der Hohlleitung an einen Kühlkreislauf, z. B. eines Kraftfahrzeugs oder an einer Ladesäule. Die Kühllösung kann aber auch einfach nur nach dem Prinzip eines Wärmerohrs (engl. Heatpipe) funktionieren und vorsehen, dass die verschlossene, mit einem Kühlmittel gefüllte Hohlleitung an einem Kühlkörper endet, so dass das Kühlmittel am Steckverbinderelement verdampft und an dem als Wärmesenke fungierenden Kühlkörper wieder kondensiert.The active cooling according to the invention advantageously uses a cooling circuit provided in the higher-level unit in which the connector element is located. The method then further comprises the step of connecting the hollow pipe to a cooling circuit, e.g. B. a motor vehicle or at a charging station. The cooling solution can also simply work on the principle of a heat pipe and provide that the closed, coolant-filled hollow pipe ends at a heat sink, so that the coolant evaporates on the connector element and again on the heat sink, which acts as a heat sink condensed.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Hochvoltsteckverbindersystems gemäß einem ersten Beispiel; -
2 eine schematische perspektivische Darstellung des Hochvoltsteckverbindersystems gemäß dem ersten Beispiel; -
3 eine schematische Explosionsdarstellung des Hochvoltsteckverbindersystems gemäß dem ersten Beispiel; -
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Hochvoltsteckverbindersystems gemäß einem zweiten Beispiel; -
5 eine schematische perspektivische Darstellung des Hochvoltsteckverbindersystems gemäß dem zweiten Beispiel; -
6 eine schematische Schnittdarstellung eines Hochvoltsteckverbindersystems gemäß einem dritten Beispiel; -
7 eine schematische perspektivische Darstellung des Hochvoltsteckverbindersystems gemäß dem dritten Beispiel.
-
1 a schematic sectional illustration of a high-voltage connector system according to a first example; -
2 a schematic perspective illustration of the high-voltage connector system according to the first example; -
3 a schematic exploded view of the high-voltage connector system according to the first example; -
4th a schematic sectional view of a high-voltage connector system according to a second example; -
5 a schematic perspective illustration of the high-voltage connector system according to the second example; -
6th a schematic sectional illustration of a high-voltage connector system according to a third example; -
7th a schematic perspective illustration of the high-voltage connector system according to the third example.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren, und dabei insbesondere zunächst mit Bezug auf die schematische Schnittdarstellung der
Die Figuren erläutern beispielhaft eine aktive Kühllösung, die in einem Hochvolt (HV)-Rundstecker (z. B. mit einem Durchmesser von 12 mm) Verwendung findet. Andere Steckverbindergeometrien können selbstverständlich ebenfalls mit einer Kühlvorrichtung nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet werden. Weiterhin kann die Kühlvorrichtung auch an beiden Steckverbinderelementen oder nur an dem zweiten Steckverbinderelement vorgesehen sein, obwohl dies nicht in den Figuren dargestellt ist. Mit anderen Worten muss die Kühlvorrichtung nicht unbedingt (nur) mit dem Buchsenelement assoziiert sein.The figures explain an example of an active cooling solution that is used in a high-voltage (HV) round plug (e.g. with a diameter of 12 mm). Other connector geometries can of course also be designed with a cooling device according to the principles of the present invention. Furthermore, the cooling device can also be provided on both connector elements or only on the second connector element, although this is not shown in the figures. In other words, the cooling device does not necessarily have to be (only) associated with the socket element.
Das Steckverbindersystem
Das zweite Steckverbinderelement
Um zu verhindern, dass im nicht zusammengesteckten Zustand die spannungsführenden Teile des ersten Steckverbinderelements
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Steckverbindersystem
Insbesondere weist die Kühlvorrichtung
Wie weiterhin aus
In der gezeigten Ausführungsform ermöglicht es das aus einem isolierenden Material hergestellte Lagerelement
Bei der in den
Will man dagegen eine größere wärmeleitende Kontaktfläche zwischen der Hohlleitung und dem ersten Steckverbinderelement bereitstellen, kann auch vorgesehen sein, dass die Hohlleitung das Lagerelement in mehreren Windungen umgibt. Ein Beispiel für eine solche Lösung ist in den
Das Steckverbindersystem
Das erste Steckverbinderelement
Um zu verhindern, dass im nicht zusammengesteckten Zustand die spannungsführenden Teile des ersten Steckverbinderelements
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Steckverbindersystem
Insbesondere weist die Kühlvorrichtung
Ebenso wie mit Bezug auf die
Auch in der gezeigten zweiten Ausführungsform ermöglicht es das aus einem isolierenden Material hergestellte Lagerelement
Wenn man dagegen ein elektrisch isolierendes (aber dennoch möglichst gut wärmeleitendes) Material für die Hohlleitung verwendet, kann das Lagerelement auch als integraler Bestandteil des elektrisch leitfähigen Grundkörpers des ersten Steckverbinderelements ausgestaltet sein. Ein Beispiel für eine solche dritte Ausführungsform ist in den
Das Steckverbindersystem
Das erste Steckverbinderelement
Um zu verhindern, dass im nicht zusammengesteckten Zustand die spannungsführenden Teile des ersten Steckverbinderelements
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Steckverbindersystem
Insbesondere weist die Kühlvorrichtung
Ebenso wie mit Bezug auf die
In der gezeigten dritten Ausführungsform muss, um eine elektrische Isolierung zwischen dem Kühlfluid und dem Grundkörper
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100, 200, 300100, 200, 300
- SteckverbindersystemConnector system
- 102, 202, 302102, 202, 302
- Erstes SteckverbinderelementFirst connector element
- 104, 204, 304104, 204, 304
- Zweites Steckverbinderelement; GegensteckverbinderelementSecond connector element; Mating connector element
- 106106
- Pfeile für StromflussArrows for current flow
- 108, 208, 308108, 208, 308
- KontaktbereichContact area
- 114, 214, 314114, 214, 314
- KühlvorrichtungCooling device
- 116, 216, 316116, 216, 316
- BerührschutzelementContact protection element
- 118, 218, 318118, 218, 318
- Grundkörper des ersten SteckverbinderelementsBase body of the first connector element
- 120, 220, 320120, 220, 320
- HohlleitungHollow pipe
- 122, 222, 322122, 222, 322
- LagerelementBearing element
- 124, 224124, 224
- NutGroove
- 126126
- KühlfluidCooling fluid
- 128, 228, 328128, 228, 328
- Stiftförmige KontakteinheitPin-shaped contact unit
- 130, 330130, 330
- Bereich mit reduziertem QuerschnittArea with reduced cross-section
- 132132
- GehäuseelementHousing element
Claims (15)
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